DE102018118322B4

DE102018118322B4 - Kurbeltrieb für eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102018118322B4
Application number: DE102018118322.4A
Authority: DE
Inventors: Karl H. Funke; Herbert Funke; Max Schaule
Original assignee: Ataraxia GmbH
Current assignee: Ataraxia GmbH
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2038-07-31
Also published as: DE102018118322A1

Abstract

Kurbeltrieb für eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mindestens einer um eine Drehachse (11) drehbar gelagerten Kurbelwelle mit mindestens einem in mindestens einem Zylinder (7) hubbeweglich lageveränderbarem Kolben (8), an dem an einem Schwenklager (10) schwenkbeglich ein Pleuel (9) lagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Drehachse (11) der Kurbelwelle eine mit der Kurbelwelle umlaufende Primärkurbel (17) gelagert ist, die ein mit einer Stirnverzahnung oder als Hohlrad mit Innenverzahnung versehenes erstes Primärzahnrad (15) gegen Verdrehung gesichert gelagert aufweist, sowie an einer Drehachse (16) angelenkt ein mit dem Primärzahnrad (15) korrespondierend im Eingriff befindliches zweites mit zum Primärzahnrad (15) korrespondierender Verzahnung ausgeführtes Sekundärzahnrad (12), das über eine Sekundärkurbel (19) mit einem Schwenklager (18) am mit dem Kolben (8) in Verbindung stehenden Pleuel (9) angelenkt ist, so, dass bei einer 360°-Umdrehung um die Drehachse der Kurbelwelle 11 der Kolben (8) alle 4-Takt-Positionen der Brennkraftmaschine durchläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kurbeltrieb für eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mindestens einer um eine Drehachse drehbar gelagerten Kurbelwelle und mit mindestens einem in mindestens einem Zylinder hubbeweglich lageveränderbarem Kolben, in dem an einem Schwenklager schwenkbeweglich ein Pleuel lagerbar ist.
Der hubbeweglich im Zylinder gelagerte Kolben einer Brennkraftmaschine überträgt infolge der gelenkigen Kupplung über einen an ihm angelenkten Pleuel die oszillierende Bewegung des Kolbens im Zylinder in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle um ihre Drehachse. Aus dem Stand der Technik sind bereits eine Vielzahl konstruktiver Lösungen bekannt, unterschiedlich große Hubbewegungen des Kolbens beim Ladungswechsel und/oder beim Expansionshub auszuführen und um damit eine variabel steuerbare Verdichtung zu verwirklichen. Eine konstruktive Umsetzung ist von einer ganzen Reihe von zu beachtenden Kriterien abhängig; insbesondere muss eine Verstellung schnell erfolgen, um eine Anpassung des Verdichtungsverhältnisses im Fahrbetrieb mit ausreichender Dynamik zu gewährleisten. Ferner sollten die für eine Verstellung aufzuwendenden Kräfte geringstmöglich sein.
Üblicherweise wird versucht, eine derart unterschiedliche Hubbewegung des Kolbens in einem Zylinder einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine über eine Art Getriebeanordnung zwischen Kurbelwelle und Pleuel oder auch über die Anordnung von mehreren Kurbelwellen zu erreichen.
Im US-Patent 4 517 931 A wird ein Kurbeltrieb mit einer ersten, zu einer zweiten Kurbelwelle achsparallel angeordneten Kurbelwelle offenbart, wobei um einen ersten Hubzapfen der ersten Kurbelwelle drehbeweglich ein erster Pleuel mit einem ersten Pleuelauge und um einen zweiten Hubzapfen der zweiten Kurbelwelle drehbeweglich ein Umlenkpleuel mit zwei unter einem Winkel von dem zweiten Hubzapfen beabstandeter Bolzen angeordnet ist. Hierbei ist der erste Pleuel mit einem zweiten Pleuelauge mit dem der ersten Kurbelwelle zugewandten Bolzen des Umlenkpleuels in Wirkverbindung und der zweite, der ersten Kurbelwelle abgewandte Bolzen des Umlenkpleuels ist mit einem dritten Pleuelauge eines dritten Pleuels in Wirkverbindung. An diesem dritten Pleuel ist auf der dem Kurbeltrieb abgewandten Seite ein Kolben drehbeweglich angeordnet. Zur Synchronisation der Kurbelwellen ist an der ersten Kurbelwelle stirnseitig ein erstes Zahnrad und an der zweiten Kurbelwelle stirnseitig ein zweites Zahnrad angeordnet, wobei das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:2 miteinander kämmen. Zur Realisierung eines langen Expansionshubs dreht damit die zweite Kurbelwelle mit der halben Drehzahl der ersten Kurbelwelle. Diese Konstruktion soll die Möglichkeit eröffnen, durch Verstellung der Zuordnung zwischen den beiden Zahnrädern auf den beiden Kurbelwellen auch das Verdichtungsverhältnis der Kolben-Zylinder-Einheit zu verändern. Das geschieht durch Verdrehung der Kurbelwellen in Relation zueinander.
Aus der US 1 326 129 A der DE 10 2014 214 185 A1 und DE 10 2014 214 188 A1 sind weitere Konstruktionen bekannt, die mit Hilfe von Getriebeanordnungen unterschiedliche Kolbenhübe bzw. eine Veränderung der Verdichtungsverhältnisse ermöglichen sollen.
Die US 2012/0 291 755 A1 offenbart eine Hubverstellung des Kolbens einer Brennkraftmaschine mittels eines auf der Kurbelwelle angeordneten Sonnenradgetriebes.
In der DE 10 2015 214 244 A1 ist die Übertragung von Stellbewegungen bzw. Stellkräften mittels eines Kreisschiebeplanetenradgetriebes gezeigt und beschrieben.
Die DE 10 2009 006 633 A1 offenbart die Anordnung einer zusätzlichen Exzenterwelle und einer mit dieser zusammenwirkenden Phasenverstelleinrichtung bei einem Kurbeltrieb einer Brennkraftmaschine zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses.
Die GB 2 431 695 A offenbart die Anordnung von unrunden Zahnrädern bei einer Brennkraftmaschine mit gegenläufig zusammenwirkenden Kolben.
Problematisch an den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist zum einen die hohe Belastung, die auf die verschiedenen Bauteile einwirkt. Zum anderen ist bei der Verstellung im Betrieb meist ein eher hoher Aufwand erforderlich. Aus dem Stand der Technik bei Brennkraftmaschinen mit in Zylindern hubbeweglich gelagerten Kolben ist es bekannt, dass infolge der auftretenden hohen Verdichtungs- bzw. Verbrennungsdrücke im Brennraum über den beweglichen Kolben auf das an ihm angelenkte Pleuel und über das Pleuel auf die Lagerstellen an der Kurbelwelle erhebliche Kräfte einwirken. Es ist ferner bekannt, dass im Verlauf der oszillierenden Hubbewegungen des Kolbens durch die unterschiedlichen Druckverhältnisse im Zylinder stark unterschiedliche Kraftverläufe auftreten. Daraus resultieren starke Schwankungen hinsichtlich der Kraft- bzw. Drehmoment-Übertragung, die in der Regel durch die Anordnung von Schwungmassen an oder nahe der Kurbelwelle ausgeglichen werden müssen Zum Teil ist der konstruktive Aufwand in Hinblick auf den damit erreichbaren Effekt im Großserienbau von Brennkraftmaschinen nicht zu rechtfertigen.
Der Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, die vorstehend angesprochene technische Problematik mit relativ einfachen Mitteln wirkungsvoll zu lösen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass auf der Drehachse der Kurbelwelle eine mit der Kurbelwelle umlaufende Primärkurbel gelagert ist, die ein mit einer Stirnverzahnung oder als Hohlrad mit Innenverzahnung versehenes erstes Primär- Zahnrad gegen Verdrehung gesichert trägt, wobei in einer Drehachse ein mit dem Primär-Zahnrad korrespondierend im Eingriff befindliches mit zum Primärzahnrad korrespondierender Verzahnung ausgeführtes Sekundär-Zahnrad über eine Sekundärkurbel mit einem Drehlager am mit dem Kolben in Verbindung stehenden Pleuel angelenkt ist, so, dass bei einer 360°-Umdrehung um die Drehachse der Kurbelwelle der Kolben alle 4-Takt-Positionen einer Brennkraftmaschine durchläuft.
Eine solche Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine weist mittels Primär- und Sekundärkurbel und mittels Primär- und Sekundär-Zahnrad einen asymmetrisch verlaufenden Hub des Kolbens im Zylinder auf, mit einem vorzugsweise kurzen Hubweg beim Ansaug- bzw. Verdichtungstakt und einem dazu vergleichsweise langen Hubweg beim Arbeits- und Ausschiebetakt. Dabei verfügt die nach der Erfindung aufgebaute Brennkraftmaschine im Vergleich zu herkömmlichen Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschinen über einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad betreffend die abgegebene Arbeitsleistung in Bezug auf den Einsatz von Brennstoffen. Außerdem kann mit dem Gegenstand nach der Erfindung eine im Betrieb einstellbare variable Verdichtung und Anpassung unterschiedlicher Betriebszustände an verschiedene Lastzustände, Kraftstoffe und Umgebungsparameter ausgeführt werden.
An dem im Zylinder hubbeweglichen Kolben ist in einem Schwenklager ein Pleuel gelagert, über das die oszillierende Bewegung des Kolbens im Zylinder in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle umwandelbar ist. Die Kurbelwelle weist dabei eine in einer Drehachse gelagerte Primärkurbel auf, an der exzentrisch mit Abstand zur Drehachse der Kurbelwelle eine zweite Sekundärkurbel drehbar gelagert ist, an der ebenfalls exzentrisch zu ihrer Drehachse in einem Drehlager das am Ende des mit dem Kolben verbundenen Pleuel angelenkt ist.
Zentrisch zur Achse der Kurbelwelle ist ein erstes Primär-Zahnrad angeordnet, das drehbar gegenüber der Kurbelwelle und schwenkbar gegenüber dem Kurbelwellengehäuse gelagert ist und von einem Verstellmechanismus abgestützt wird, der im Betrieb der Brennkraftmaschine eine schwenkbare Verstellung des Primär-Zahnrads ermöglicht. Die Schwenkbewegung des Primär-Zahnrads erfolgt dabei koaxial zur Drehachse der Kurbelwelle.
An der Sekundär-Kurbel ist zentrisch zu ihrer Drehachse ein Sekundär-Zahnrad angeordnet. Dieses Sekundär-Zahnrad kämmt mit dem zuvor beschriebenen Primär-Zahnrad. Es kann vorzugsweise die gleiche Zähnezahl wie das primäre Zahnrad bei identischem Verzahnungsprofil aufweisen, so dass sich bei Paarung von Primär- und Sekundär-Zahnrad eine Übersetzung von exakt 1,0 für jeweils eine ganze Umdrehung beider Zahnräder ergibt. Dabei bilden Primär- und Sekundär-Zahnrad vorzugsweise ein Paar sogenannter unrunder Zahnräder, bei denen aufgrund eines veränderten Wälzkreisradius an mindestens einer Stelle des Umfangs im Lauf einer Umdrehung die partielle Übersetzung variiert, so dass sich über den Verlauf einer ganzen Umdrehung des Zahnradpaares partiell unterschiedliche Drehmomenten- und Drehzahlverhältnisse ergeben.
Zur kinematischen Betrachtung eines Umlaufs der Kurbelwelle wird eine Anordnung der Brennkraftmaschine mit vertikal stehend angeordnetem Zylinder und oben liegendem Zylinderkopf angenommen (siehe Figuren der Zeichnung), bei der in einer Ausgangsposition die Primärkurbel auf der Kurbelwelle senkrecht nach unten und die Sekundärkurbel ebenfalls senkrecht nach unten zeigt. Bei dieser Anordnung befindet sich der Kolben im Zylinder am untersten Totpunkt im Zylinder. Diese Stellung entspricht - bezogen auf die vier Takte einer ViertaktBrennkraftmaschine - dem Ende des Arbeits- und dem Beginn des Ausschiebetaktes.
Bei einem 360°-Umlauf der Kurbelwelle wird zunächst von einem kreiszylindrischen Zahnradsatz bei Primär- und Sekundär-Zahnrad sowie einer fixierten Position des Primär-Zahnrads ausgegangen. Dabei umläuft bei Drehung der Kurbelwelle das exzentrisch gelagerte Sekundär-Zahnrad im Achsabstand der Primärkurbel die Drehachse der Kurbelwelle und wälzt dabei auf dem zunächst als feststehend zu betrachtenden Primär-Zahnrad ab. Dadurch dreht sich die Sekundärkurbel auf ihrem Kurbelzapfen in einer Weise, dass sich die Drehbewegungen um die Achse der Primärkurbel und die Drehbewegung um die Achse der Sekundärkurbel überlagern. Im Gegensatz zu einer konventionellen Kurbelwelle, bei der der Kurbelzapfen eine Kreisbewegung ausführt, führt der Kurbelzapfen der oben beschriebenen Anordnung eine kreisbahnähnliche, aber unrunde Bewegung aus, an deren oberer Stellung bei der hier beschriebenen Anordnung eine zusätzliche schleifenförmige Bewegung absolviert wird. In Zusammenspiel mit dem am Kurbelzapfen angeordneten Pleuel und dem damit verbundenen Kolben führt der im Zylinder linearbewegliche Kolben auf diese Weise im Laufe einer ganzen Umdrehung der Kurbelwelle zwei unterschiedlich lange Hubbewegungen aus. Es ergeben sich dadurch insgesamt vier Umkehrpunkte der Hubkolbenbewegungen, die wie bei konventionellen Hubkolbenmotoren auch jeweils das Ende des einen und den Beginn des nächsten Taktes eines Viertaktmotors bilden. Bei einem konventionellen Hubkolbenmotor ergeben sich für alle vier Arbeitstakte zwangsläufig gleichlange Hubwege, da die Kolbenpositionen in den Umkehrpunkten am oberen Totpunkt am Ende des Verdichtungstaktes und am Ende des Ausschiebetaktes und auch die Kolbenpositionen in den Umkehrpunkten im unteren Totpunkt am Ende des Ansaugtaktes und am Ende des Arbeitstaktes gleich sind. Im Unterschied dazu können sich bei der Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach der Erfindung bis zu vier unterschiedliche Umkehrpunkte der Hubkolbenbewegung und damit unterschiedlich lange Hubwege einstellen lassen. Beim konventionellen Hubkolbenmotor erstrecken sich außerdem die vier Arbeitstakte zwangsläufig über insgesamt zwei Kurbelwellenumdrehungen, während sich bei der ViertaktBrennkraftmaschine nach der Erfindung alle vier Takte durch Primär- und Sekundärkurbel nur über den Verlauf einer einzigen Umdrehung der Kurbelwelle erstrecken.
Bei seitensymmetrischer Anordnung von Zylinder bzw. Kolben und Kurbelwelle und gleichzeitiger Anordnung von Primär- und Sekundärkurbel am Ende eines Ausschiebetaktes (siehe vorstehende Beschreibung) sind die beiden oberen Totpunkte, also die Umkehrpunkte der Bewegung des Hubkolbens am Ende des Ausschiebetaktes und am Ende des Verdichtungstaktes an gleicher Position. Dies kann durch einen seitlichen Versatz von Zylinder und Primärkurbel-Achse oder auch bei einer asymmetrischen Anordnung, bei der die Sekundärkurbel bei senkrecht nach unten ausgerichteter Primärkurbel von der vertikalen Position abweichend angeordnet ist, erreicht werden. Eine solche abweichende Anordnung kann bereits allein durch Schwenken des Primär-Zahnrads erreicht werden. Ein solches Schwenken des Primär-Zahnrads kann beim Gegenstand der Erfindung auf einfache Weise im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine ermöglicht werden, so dass auf diese Weise die unterschiedlichen Totpunktlagen der Hubkolbenbewegung im laufenden Betrieb variiert werden können. Hierbei ist insbesondere die Veränderung des oberen Totpunkts am Ende des Verdichtungstaktes von Bedeutung, da damit unmittelbar auf eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses eingewirkt werden kann. Durch eine solche variable Verdichtung, die beim Gegenstand der Erfindung auf einfache Weise im laufenden Betrieb der Brennkraftmaschine umzusetzen ist, kann der hohe Wirkungsgrad auch im Teillastbereich der Brennkraftmaschine erhalten bleiben.
Insbesondere der Kolbenposition im oder nahe am oberen Totpunkt am Ende des Verdichtungstaktes kommt hierbei eine besondere Bedeutung zu: Zum einen kann durch die Verstellung der Winkellage des Primär-Zahnrads die Position des oberen Totpunktes und damit die Verdichtung während des Betriebs verändert werden. Zum anderen kann durch eine Überlagerung der durch die Kurbelwellenrotation indizierten Hubbewegung des Kolbens von einer darauf abgestimmten, durch den Verstellmechanismus zur Schwenkbewegung des Primär-Zahnrads indizierten Bewegung in einer Position im oder nahe am oberen Totpunkt zum Ende des Verdichtungstaktes der Hubkolben für einen sehr kurzen Zeitpunkt quasistatisch an derselben oder nahe derselben Position verweilen, während sich die Kurbelwelle mit näherungsweise konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit weiterdreht. Eine längere Verweildauer des Kolbens am oder in der Nähe des oberen Totpunkts zum Zeitpunkt der Zündung und/oder der Verbrennung kann Vorteile bei der Zündung zum Beispiel schwerentzündlicher Kraftstoffe haben, wenn diese zum Beispiel durch Zündfunken oder durch Laserbestrahlung oder andere Zündquellen entzündet werden sollen und deren Zündwirkung entsprechend angepasste Zeiträume erfordert. Dabei bietet die längere Verweildauer des Kolbens am oder in der Nähe des oberen Totpunkts mehr Zeit für Zündung, Flammausbreitung und Verbrennung. Damit kann bei entsprechender Abstimmung ein homogenerer Verbrennungsablauf und eine vollständigere Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemischs erreicht werden, was sich günstig auf eine Reduktion von Schadstoffen im Abgas auswirkt.
In einem Kurbeltrieb nach der vorliegenden Erfindung verzweigt sich der Kraftfluss bei der Übertragung der über den Kolben auf das Pleuel einwirkenden Kraft im Kurbeltrieb. Dabei erfährt die Sekundärkurbel durch die über das untere Pleuellager auf den Kurbelzapfen des Kurbeltriebs übertragene Kraft sowohl Druck- als auch Zugkraftkomponenten, die in Richtung des Exzenterhebelarmes der Kurbel wirken. Zusätzlich erfährt die Sekundärkurbel auch eine senkrecht hierzu wirkende Komponente, die ein Drehmoment in ihr hervorruft. Während die Zug- bzw. Druckkraftkomponente in Richtung des Exzenterhebelarmes über das Lager zwischen Primärkurbel und Sekundärkurbel übertragen wird und somit einen unmittelbaren Teil des Drehmoments der Primärkurbel erzeugt, stützt sich das Drehmoment der Sekundärkurbel über die Verzahnung des Sekundär-Zahnrads am Primär-Zahnrad ab. Die aus dieser Zahnabstützung resultierenden Reaktionskräfte werden wiederum in der Lagerung zwischen Primärkurbel und Sekundärkurbel aufgefangen und erzeugen somit eine weitere Drehmoment-Komponente an der Primärkurbel.
Insbesondere in der Stellung der Kolbenposition im oder nahe am oberen Totpunkt am Ende des Verdichtungstaktes und entsprechend am Beginn des Arbeitstaktes können sehr hohe Zahnkräfte in den Verzahnungen auftreten. Bei Verzahnungen mit gleichen Zähnezahlen beider Zahnräder kämen in jedem Umlauf stets die gleichen Zähne in Eingriff miteinander, was zu einer hohen Belastung und ggf. zu Verschleiß oder sogar Überlastung der jeweils betroffenen Zähne führt. Die Verwendung eines aufeinander abgestimmten Zahnradpaares sogenannter Unrund-Zahnräder (profilierte Zahnräder) können dabei zur deutlichen Entlastung führen. Eine Zahnradpaarung mit zwei Zahnrädern identischer Gesamtzähnezahl und einer entsprechenden Gesamtübersetzung von 1,0 weist dabei eine erheblich unterschiedliche Momentanübersetzung im Lauf einer Umdrehung auf. Beispielsweise kann die Übersetzung eines entsprechenden unrunden Zahnradsatzes in einer bestimmten Stellung Werte von über 4,0 annehmen und in anderen Positionen Werte von weniger als 0,25. Die Abstimmung wird im vorliegenden Fall vorzugsweise so vorgenommen, dass in einer Stellung der Kolbenposition im oder nahe am oberen Totpunkt am Ende des Verdichtungstaktes entsprechend dem Beginn des Arbeitstaktes das Sekundär-Zahnrad einen oder möglichst mehrere Zähne gleichzeitig mit möglichst großem Wälzkreisradius in Eingriff bringt, während beim feststehenden bzw. schwenkbaren Primär-Zahnrad im gleichem Moment sich Zähne am möglichst geringen Wälzkreisradius im Eingriff befinden. Dadurch ergibt sich für die momentane Übersetzung in dieser Position ein Übersetzungswert von deutlich kleiner als 1, wenn man das Sekundär-Zahnrad als Antriebsseite und das Primär-Zahnrad als Abtriebsseite der Zahnradpaarung definiert. Dieses reduziert in dieser Position bei ansonsten gleichen Kurbelkräften gegenüber dem Einsatz von gewöhnlichen runden (kreiszylindrischen) Zahnrädern die Kräfte, die auf die im Beginn im Eingriff befindlichen Zähne einwirken erheblich und führt damit zu einer erheblich höheren Tragfähigkeit der Zahnradpaarung. Gleichzeitig ergibt sich durch die Anordnung der Primär- und Sekundärkurbel und insbesondere durch eine geschickt gewählte variierende Übersetzung der Zahnradpaarung im Lauf eines Umlaufs ein gleichmäßiger Drehmomentenverlauf über den gesamten Umlauf der Vier-Takt-Brennkraftmaschine im Vergleich mit anderen Viertakt-Verbrennungskraftmaschinen.
In vorteilhafter Weitergestaltung des Gegenstands der Erfindung weist das erste Primär-Zahnrad eine Stirnverzahnung mit einem Teil-Profil-Verzahnungsbereich mit einem unrunden, z.B. mit im Wesentlichen konvex verlaufenden Verzahnungsprofil auf, das mit einem entsprechend angepassten unrunden, z.B. im Wesentlichen konkav verlaufenden Teil-Profil-Verzahnungsbereich, ebenfalls als Stirnverzahnung ausgeführt, des Sekundär-Zahnrads im Eingriff korrespondiert. Denkbar sind auch andere korrespondierende Unrund-Zahnräder, z.B. eliptische.
Eine weitere denkbare Ausführungsform des Kurbeltriebs ergibt sich bei Verwendung einer Kombination aus innenverzahntem Hohlrad mit einem innen angeordneten, korrespondierenden außenverzahnten Stirnrad. Dabei ist das auf der Kurbelwelle angeordnete Primärzahnrad als innenverzahntes Hohlrad ausgeführt und konzentrisch zur Achse der Kurbelwelle am Gehäuse schwenkbar gelagert abgestützt. Es weist vorzugsweise eine Zähnezahl auf, die genau dreimal so groß ist wie die Zähnezahl des korrespondierenden Sekundärzahnrads. Bei entsprechender Ausführung wälzt sich bei einer Gesamtumdrehung der Kurbelwelle das außenverzahnte Sekundärzahnrad aufgrund der Gesamtübersetzung dreimal in seinem Umfang ab. Da sich hierbei die Drehbewegung von Sekundärkurbel und Primärkurbel gegensinnig überlagern, vollzieht die Sekundärkurbel während einer Kurbelwellenumdrehung zwei volle Kurbelumdrehungen, die gegensinnig zur Drehbewegung der Kurelwelle sind. Damit ergeben sich bei einer solchen Ausführung des Erfindungsgegenstands ebenfalls zwei unterschiedlich lange Kolbenhübe mit insgesamt vier unterschiedlichen Totpunktlagen des Kolbens. Diese sind zusätzlich durch geringfügiges Verschwenken des Primärzahnrads im Betrieb verstellbar.
Eine solche Ausführungsform als Kombination mit innenverzahntem Hohlrad und einem innen angeordneten, damit korrespondierenden außenverzahnten Stirnrad kann sowohl mit kreiszylindrischem Zahnradsatz wie auch mit nichtkreiszylindrischen „unrunden“ Zahnrädern ausgeführt werden.
Das auf der Kurbelwelle angeordnete Primär-Zahnrad mit dem daran umlaufend angeordneten Sekundär-Zahnrad beeinflusst die jeweilige Winkellage der Sekundärkurbel und darüber den Hub des Kolbens über den Pleuel. Ferner kann auf diese Weise Einfluss auf die Totpunktlagen des Kolbens und damit auf die Verdichtung genommen werden.
Die Winkellage des Primär-Zahnrads kann in vorteilhafter Weitergestaltung des Gegenstandes der Erfindung im laufenden Betrieb durch einen einfachen Verstellmechanismus beeinflusst werden, so dass auf diese Weise eine Anpassung der Verdichtung des Motors im laufenden Betrieb erfolgen kann. In der 10 der Zeichnung ist eine Variante des unrunden Zahnsatzes dargestellt, bei dem sich am Primär-Zahnrad ein Bereich mit konkaver Krümmung der Teilkreiskurve ausprägt. In diesem Bereich wird der Wälzkreisradius des Primär-Zahnrads minimal, wobei dann gleichzeitig der Wälzkreisradius am korrespondierenden Sekundär-Zahnrad maximal wird. In Kombination mit dem Sekundär-Zahnrad befinden sich in diesem Bereich durch die Kombination der konvexen Walzkreis-Kurvenkrümmung des Sekundär-Zahnrads und der konkaven Walzkreis-Kurvenkrümmung des Primär-Zahnrads besonders viele Zähne im Eingriff, was die Tragfähigkeit der Zahnradpaarung weiter erhöht und Verschleiß mindert bzw. ausschließt. Vorteilhafterweise wird der Zahnradsatz dabei so in Stellung gebracht, dass diese Ausrichtung des unrunden Zahnsatzes der Position des Kurbeltriebs entspricht, bei der sich der Kolben am oder in der Nähe des oberen Totpunkts am Ende des Verdichtungstaktes entsprechend dem Beginn des Arbeitstaktes befindet. Es sei darauf hingewiesen, dass ein einzelnes Zahnrad des unrunden Satzes nicht zwangsläufig über konkave Bereiche der Teilkreiskurve verfügen muss; eine entsprechende Ausgestaltung ist aber bei vorteilhafter Ausrichtung insbesondere im Hinblick auf die Tragfähigkeit der Verzahnung als ausgesprochen günstig einzustufen.
Die durch eine entsprechende Anordnung und unter Verwendung von Unrunden-Zahnräder im Vergleich zu kreiszylindrischen Zahnrädern erreichte Reduzierung der Zahnbelastung im oberen Totpunktbereich des Kolbens am Ende des Verdichtungstaktes bewirkt zwangsläufig eine relative Erhöhung der Zahnbelastung an anderweitigen Positionen des Kurbeltriebs. Dabei wird die Kontur des unrunden Zahnradsatzes vorteilhafterweise so ausgestaltet sein, dass diese relativen Erhöhungen vorzugsweise auf Positionen des Kurbeltriebes verlagert werden, an denen die über Kolben, Pleuel und Kurbeltrieb übertragenen Kräfte vergleichsweise gering sind. Dieses ist insbesondere in Positionen der Fall, bei denen sich der Kolben in Takten des Gaswechsels (Ansaug- bzw. Ausschiebetakt) befindet. Aber auch in der ersten Hälfte des Ansaugtaktes und auch in der zweiten Hälfte des Arbeitstaktes sind die Brennraumdrücke und damit verbunden die im Kurbeltrieb zu übertragenen Kräfte, verglichen mit den hohen Kräften am Ende des Ansaug- und zu Beginn des Arbeitstaktes, relativ gering. So bewirkt die Verwendung der Unrunden-Zahnräder wie vorab beschrieben eine gleichmäßigere Verteilung der im Kurbeltrieb auftretenden Kräfte über den Gesamtumlauf der Vier-Arbeitstakte der Brennkraftmaschine und damit eine Reduzierung der kritischen Spitzenbelastungen insbesondere an den Zahnradpaarungen.
Aus energetischer und thermodynamischer Sicht ergeben sich die Vorteile einer Vier-Takt-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach der Erfindung insbesondere dadurch, dass durch das Erreichen unterschiedlich langer Hubwege ein deutlich größerer Expansionshub im Vergleich zum Kompressionshub erreicht werden kann. Dabei wird das Hubverhältnis berechnet aus dem Quotienten von Expansionshub zu Kompressionshub in erster Linie und nahezu unabhängig von der Verwendung runder oder unrunder Zahnradsätze über das Verhältnis der Kurbellängen der Sekundärkurbel zur Primärkurbel festgelegt. So wird das Hubverhältnis umso geringer ausfallen, je länger die Sekundärkurbel zur Primärkurbel ausgeführt ist. Wenn die Sekundärkurbel beispielsweise die 1,45-fache Länge der Primärkurbel aufweist, wird ein Hubverhältnis von ungefähr 2,0 erreicht. Bei gleichlangen Kurbeln beträgt das Hubverhältnis knapp 3,0. Beträgt die Länge der Sekundärkurbel nur das 0,65-fache der Länge der Primärkurbel, so werden je nach Länge des Pleuels und der Ausgestaltung der Kurbelanordnung mittels Zahnradausrichtung Hubverhältnisse zwischen 4,0 und 5,0 erreicht. Weiterhin sind Hubverhältnisse über 10,0 denkbar.
Mit einem deutlich vergrößerten Expansionshub gegenüber dem Kompressionshub an einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine erreicht man in erster Linie eine stärkere Expansion der Arbeitsgase am Ende des Arbeitstaktes. Theoretisch erscheint eine Expansion sinnvoll, bei der das Arbeitsgas zum Ende des Arbeitstaktes bis auf Umgebungsdruck entspannt wird. Mit einem entsprechend aufgebauten Hubkolbenmotor würde z.B. beim Öffnen des Auslassventils am Ende des Arbeitstaktes ein sog. Auspuffknall vermieden werden können und dieser wäre auch ohne schalldämpfende Maßnahmen vergleichsweise geräuscharm gegenüber konventionellen Viertakt-Hubkolbenmotoren.
Ein weiterer wichtiger Effekt im Zusammenhang mit einem verlängerten Expansionshub gegenüber dem Kompressionshub liegt in der damit erreichbaren Abkühlung des Arbeitsgases, die mit der stärkeren Expansion einhergeht. Ein erheblicher Anteil der energetischen Verluste bei Brennkraftmaschinen liegt in der erforderlichen Kühlung des Zylinders und der an den Zylinder angrenzenden Bauteile. Damit Brennkraftmaschinen thermisch nicht überlastet werden, ist bei konventionellen Brennkraftmaschinen grundsätzlich eine Kühlung von Zylinder, Zylinderkopf und ggf. auch angrenzenden Bauteilen erforderlich. Dabei entzieht die Kühlung dem Motor Wärme, die bei einer thermodynamischen Betrachtung den Arbeitsertrag der Brennkraftmaschine schmälert. Überschlägig geht ca. ein Drittel der zugeführten Energie über Druck- und Wärmeverluste der Abgase und ca. ein weiteres Drittel über die Kühlung verloren. Deshalb ist ein erhebliches Potential zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades bei Brennkraftmaschinen insbesondere darin zu sehen, dass in diesem Bereich Verbesserungen erzielt werden.
Bei einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach der Erfindung erscheint es zweckmäßig, das Expansionsverhältnis, also die Länge des Expansionshubes im Verhältnis zur Länge des Kompressionshubs, so abzustimmen, dass das Arbeitsgas auf deutlich geringere Restdrücke als bei üblichen Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschinen entspannt wird. Dabei wird dann auch gleichzeitig das Arbeitsgas entsprechend abgekühlt. Sinnvolle Grenzen der Expansion ergeben sich zum einen durch den Umgebungsdruck und zum anderen durch eine minimale Abgastemperatur. Eine Expansion unterhalb des Umgebungsdruckes erscheint nicht zweckmäßig, da dann im folgenden Ausschiebetakt zusätzliche Mehrarbeit für den Gaswechsel aufgewendet werden müsste. Eine theoretische unterste Abgastemperatur ist erreicht, wenn die Temperatur soweit abgesunken ist, dass Abgasbestandteile bei zugeordnetem Abgasdruck kondensieren könnten. Entsprechende Kondensationsvorgänge im Zylinder könnten dabei zu Beschädigungen an der Brennkraftmaschine führen.
Eine entsprechende Überexpansion kann insofern den Gesamtwirkungsgrad auf zweierlei Weise verbessern: Zum einen werden dem Arbeitsgas, bevor es ungenutzt als Abgas über das Auslassventil aus dem Zylinder entweicht, zusätzliche Anteile an Druckenergie und thermischer Energie entzogen, die in zusätzliche Arbeit gewandelt werden. Zum anderen kann durch die damit verbundene Absenkung der thermischen Belastung der Arbeitskraftmaschine die erforderliche Kühlleistung reduziert werden, so dass der Maschine weniger Energie durch Kühlung entzogen werden muss. Denkbar ist auf diese Weise eine Ausführung einer Viertakt-Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine als wärmedichter Motor. Dabei wird die Abstimmung von Ladedruck, Hubverhältnis und Expansion so gewählt, dass das Arbeitsgas zum Ende des Arbeitstaktes von nur geringfügig über 200 °C, ggf. sogar von knapp unter 200 °C abgesenkt wird. Da der Ausschiebetakt einen ähnlich langen Hubweg wie der Expansionstakt aufweist, wird das relativ kühle Abgas dann über den vorzugsweise im Zylinderkopf angeordneten Auslasskanal ausgeschoben und kühlt dabei Kolben, Zylinderwand und Zylinderkopf, die sich im vorangegangenen Arbeitstakt durch hohe Arbeitsgastemperaturen aufgeheizt haben. Dabei lässt sich die Abkühlung der Abgase durch Überexpansion gut mit bekannten Maßnahmen zur Temperaturabsenkung und Schadstoffreduktion wie Wasser- oder Harnstoffeinspritzung kombinieren und trägt damit insgesamt zur Effizienzsteigerung und Schadstoffreduktion der Brennkraftmaschine bei.
Das Expansionsverhältnis bei einem Gegenstand nach der Erfindung ist mittels genauerer thermodynamischer Analyse der Zusammenhänge im Zusammenhang mit der jeweiligen Brennkraftmaschine zu wählen. Expansionsverhältnisse größer als 2, vorzugsweise größer als 5, bzw. weiter vorzugsweise größer als 10 sind ohne weiteres denkbar. Entsprechend große Expansionsverhältnisse sind dann erforderlich, wenn die Abgastemperaturen auf entsprechend geringe Werte abgesenkt werden sollen. Damit dabei der Abgasdruck nicht zu weit absinkt, ist zudem eine Aufladung der Arbeitsmaschine zweckmäßig. Eine Aufladung, insbesondere wenn diese mit einer Zwischenkühlung der Frischgase kombiniert ist, erhöht die Arbeitsleistung der Brennkraftmaschine und führt bei zweckmäßiger Ausgestaltung zu einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads. Beim Arbeiten mit besonders hohen Ladedrücken ist es bekannt, dass die davon ausgehenden hohen thermischen Belastungen problematisch sein können und dadurch oft die Grenzen einer Aufladung aufgezeigt werden. Dabei sind insbesondere Kolben, Auslasskanal bzw. Auslassventile von der Gefahr thermischer Überlastung betroffen. Unter Beachtung der vorerwähnten Zusammenhänge ist bei der Festlegung der kinematischen Zusammenhänge bei einem Kurbeltrieb nach der Erfindung aufgezeigt, dass bei einem entsprechend großen Expansionsverhältnis entweder der Verdichtungshub extrem kurzhubig und/oder der Arbeitshub extrem langhubig ausgeführt werden sollte. Eine extrem kurzhubige Ausführung des Verdichtungshubes, bei dem der Verdichtungshub weniger als der halbe Kolben-Durchmesser beträgt, erscheint für Hubkolbenmotoren wenig zweckmäßig, so dass sich insbesondere für größere Expansionsverhältnisse von mehr als 5 zwangsläufig sehr lange Expansionshübe ergeben, bei denen der Hubweg mehr als dem 2,5-fachen des Kolbendurchmessers entspricht.
Bei entsprechend langen Kolbenhüben ist zu beachten, dass eine Kollision zwischen Pleuel und Zylinderwandung bei der oszillierenden Bewegung des Pleuels vermieden wird. Üblicherweise ist das obere Pleuellager unmittelbar am Kolben angeordnet. Dabei werden die entsprechenden Querkräfte vom im Zylinder geführten Pleuel aufgenommen. Bei besonders langem Kolbenhub kann das Pleuellager auch an einer Abstützung in Verlängerung des Kolbens in Richtung auf die Kurbelwelle angeordnet werden.
Im Vergleich mit aus dem Stand der Technik bekannten aufgeladenen Hubkolbenmotoren lassen sich mit einem Gegenstand nach der Erfindung deutlich höhere Ladedrücke realisieren, so dass dabei im Laufe der Verbrennung auch deutlich höhere Verbrennungsdrücke erreichbar sind. Mithilfe der hohen Expansion und der damit verbundenen Abkühlung der Betriebstemperaturen kann mit einer entsprechend der Erfindung aufgebauten Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit um ein Vielfaches höheren Drücken gearbeitet werden.
Anwendungsgebiete für Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschinen nach der Erfindung sind sowohl in mobilen Antriebssystemen, wie zum Beispiel in Kraftfahrzeugen, wie auch in stationären Maschinen zur Erzeugung von mechanischer Antriebsenergie zu sehen. Bei Antriebssystemen in mobilen Anwendungen ist neben dem verbesserten Wirkungsgrad auch die im laufenden Betrieb verstellbare Verdichtung von besonderem Vorteil, da diese eine Anpassung an unterschiedliche Betriebszustände in Echtzeit ermöglicht. Besonders eignet sich die Brennkraftmaschine nach der Erfindung in mobilen Anwendungen als Teil von hybriden Antriebssystemen, in denen diese als sogenannter Range-Extender zum Antrieb eines elektrischen Generators angewendet wird, der das elektrische Antriebssystem und/oder einen elektrischen Energiespeicher mit Energie versorgt. Hierbei wird insbesondere der hohe energetische Gesamtwirkungsgrad einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung von hoher Bedeutung sein. In stationären Anwendungen eignet sich die Brennkraftmaschine nach der Erfindung neben der Anwendung zur allgemeinen Bereitstellung von mechanischer Antriebsleistung insbesondere zur Erzeugung elektrischer Energie, indem über die Primärkurbel unmittelbar oder über ein zwischengeschaltetes Getriebe mindestens ein Generator zur Stromerzeugung angetrieben wird. Als ein- oder mehrstufig mit hohem Ladedruck unter Verwendung einer Zwischenkühlung aufgeladene Brennkraftmaschinen nach der Erfindung können sich dabei insbesondere in wärmedichter Ausführung zum Erreichen besonders hoher Gesamtwirkungsgrade anbieten.
Besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ferner ergeben sich Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfinderischen Lösung für einen Kurbeltrieb bei einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit z.B. auch während des Betriebs verstellbarem Hub bzw. mit Anpassung der Verdichtungsverhältnisse aus der nachfolgenden Beschreibung eines in den Figuren einer Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:

1 eine Kolben-Zylinder-Einheit einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb nach der Erfindung mit unrunden Zahnrädern in Kolbenposition im unteren Totpunkt am Ende eines Arbeitstaktes;
2 die Kolben-Zylinder-Einheit nach 1 in einer Kolbenposition im Ausschiebetakt mit einem um ca. 45° gegen den Uhrzeigersinn gedrehten Sekundär-Zahnrad des Kurbeltriebs;
3 eine Kolben-Zylinder-Einheit einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb nach der Erfindung mit einer Kolbenposition im Wesentlichen im oberen Totpunkt am Ende des Ausschiebetaktes;
4 eine Kolben-Zylinder-Einheit einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb nach der Erfindung mit einer Kolbenposition im Ansaugtakt bei Abwärtsbewegung des Kolbens aus dem oberen Totpunkt in Richtung unteren Totpunkt bei geöffnetem Einlassventil und geschlossenem Auslassventil;
5 eine Kolben-Zylinder-Einheit einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb nach der Erfindung in einer Kolbenposition im Wesentlichen in Unterer-Totpunkt-Stellung bei sich schließendem oder geschlossenem Einlassventil und geschlossenem Auslassventil am Ende des Ansaugtaktes bzw. zu Beginn des Verdichtungstaktes;
6 eine Kolben-Zylinder-Einheit einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb nach der Erfindung mit einer Kolbenposition in Aufwärtsbewegung in Richtung Zylinderkopf im Verdichtungstakt bei geschlossenem Einlass- und Auslassventil;
7 eine Kolben-Zylinder-Einheit einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb nach der Erfindung mit einer Kolbenposition im oder unmittelbar vor dem oberen Totpunkt zum Ende des Verdichtungstaktes und nahe bzw. im Zeitpunkt der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs;
8 eine Kolben-Zylinder-Einheit einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb nach der Erfindung mit einer Kolbenposition in der Abwärtsbewegung unmittelbar nach Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs;
9 eine Kolben-Zylinder-Einheit einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb nach der Erfindung mit einer Kolbenposition in Abwärtsbewegung im Expansionstakt;
10 ein Beispiel eines unrunden Zahnradsatzes für einen Kurbeltrieb nach der Erfindung;
11 den Kurvenverlauf des Kurbelzapfens der Sekundärkurbel bei symmetrischer Anordnung und bei Verwendung von kreiszylindrischen Zahnrädern;
12 den Verlauf der Kolbenhubkurve bei einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Erfindung bei symmetrischer Anordnung von Kurbelwelle/Kurbeltrieb und Kolben/Zylinder und bei Verwendung von kreisrunden Zahnrädern;
13 die Kurbelzapfenkurve einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine bei einer Verdrehung des Primär-Zahnrads um 5° gegen den Uhrzeigersinn gegenüber einer symmetrischen Anordnung bei Verwendung von kreiszylindrischen Zahnrädern;
14 die Kolbenhubkurve bei einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine bei Verdrehung des Primär-Zahnrads um 5° gegen den Uhrzeigersinn gegenüber der symmetrischen Anordnung und bei Verwendung von kreiszylindrischen Zahnrädern;
15 die Kurbelzapfenkurve bei einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine bei Verdrehung des Primär-Zahnrads um 5° im Uhrzeigersinn gegenüber der symmetrischen Anordnung bei der Verwendung von kreiszylindrischen Zahnrädern;
16 den Verlauf der Kolbenhubkurve bei einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine bei Verdrehung des Primär-Zahnrads um 5° im Uhrzeigersinn gegenüber der symmetrischen Anordnung bei der Verwendung von kreiszylindrischen Zahnrädern;
17 den Verlauf der Kurbelzapfenkurve bei einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach der Erfindung bei der Verwendung von unrunden Zahnrädern und entsprechender Radsatzanordnung für identische obere Totpunktlage des Kolbens (siehe 10);
18 den Verlauf der Kolbenhubkurve bei einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach der Erfindung bei der Verwendung von unrunden Zahnrädern bei einer Ausrichtung des Zahnradsatzes, bei der sich gleichlagige obere Totpunkte ergeben (OT-Differenz = 0);
19 den Verlauf der Kolbenhubkurve bei einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine bei Verdrehung des Primär-Zahnrads um 5° im Uhrzeigersinn unter Verwendung von unrunden Zahnrädern;
20 den Verlauf der Kolbenhubkurve bei einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach der Erfindung bei einer Verdrehung des Primär-Zahnrads um 5° gegen den Uhrzeigersinn unter Verwendung von unrunden Zahnrädern mit unterschiedlichen Totpunktlagen.

In den 1-10 ist eine Zylinder-Kolben-Einheit 1 einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine in schematischer Weise dargestellt. In einem Zylinderkopf 2 der Zylinder-Kolben-Einheit 1 ist ein Einlassventil 3 zum Verschließen eines Einströmkanals 4 angeordnet. Entsprechend ist zum Verschluss eines Auslasskanals 5 zum Ausstoßen des verbrannten Brennstoff-Luft-Gemischs im Betrieb der Brennkraftmaschine ein Auslassventil 6 angeordnet.
In einem Zylinder 7 der Zylinder-Kolben-Einheit 1 ist ein hubbeweglich lagerveränderbarerer Kolben 8 gelagert, der über einen Pleuel 9, der am Kolben 8 in einem Pleuellager 10 schwenkbeweglich gelagert ist, mit einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) zur Umsetzung der oszillierenden Bewegung des Kolbens 8 im Zylinder 7 in an sich aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannter Weise in eine Rotationsbewegung zum Antrieb z.B. eines Kraftfahrzeugs. Auf - oder in axialer Verlängerung der - Drehachse 11 der Kurbelwelle ist ein mit einer Stirnverzahnung versehenes Primärzahnrad 15 mit einer Stirn-Außenverzahnung 14 verdrehsicher angeordnet. Dieses Primärzahnrad 15 steht in Eingriff mit einer korrespondierenden Stirn-Außenverzahnung 13 eines Sekundärzahnrads 12, das in einer Drehachse 16 an einer Primärkurbel 17 rotierbar gelagert ist.
Am freien Ende des Pleuels 9 ist in einem Pleuellager 18 eine Sekundärkurbel 19 gelagert, an deren freiem Ende drehbar ein Sekundärzahnrad 12 gelagert ist, das mit dem auf der Kurbelwellendrehachse 11 angeordneten, feststehenden Primärzahnrad 15 in kämmendem Eingriff steht.
Zur Hubsteuerung des Kolbens 8 - Veränderung der Position bzw. der zurückzulegenden Distanzen des Kolbens innerhalb des Zylinders 7 - ist das Primärzahnrad 15 als Unrund-Zahnrad ausgeführt, im Ausführungsbeispiel mit einem konkav ausgeführten Teil-Profil-Verzahnungs-Bereich 14.1 versehen; das ebenfalls als Unrund-Zahnrad ausgeführte Sekundärzahnrad 12 weist in übereinstimmender Ausführung der Verzahnungen nach Zahn-Anzahl und ZahnProfil innerhalb der Stirn-Außenverzahnung 13 einen konvexen Teil-Profil-Verzahnungs-Bereich 13.1 auf. Anstelle der Konvex-Konkav-Unrundheit der Zahnräder ist z.B. auch eine eliptische Unrundheit denkbar.
Mittels der oszillierenden Bewegung des Kolbens 8 bzw. des Pleuels 9 wird über die Sekundärkurbel 19 das Sekundärzahnrad 12 und das mit diesem korrespondierend im Eingriff befindliche Primärzahnrad 15 gedreht und damit die Rotation der Kurbelwelle (Drehachse 11) herbeigeführt. Über die Stirn-Außenverzahnung 13 bzw. 14 werden die Primärkurbel 17 und das Sekundärzahnrad 12 verdreht.
Die Einstellung des Kolbenhubs und damit der Verdichtungsverhältnisse in der Zylinder-Kolben-Einheit kann über eine Verstellung des Primärzahnrads 15 und/oder des Sekundärzahnrads 12 in ihrer Lage in Bezug aufeinander erreicht werden. Eine solche Verstellung kann mechanisch, elektro-mechanisch, hydraulisch oder ggf. auch rein elektrisch erfolgen
Eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine weist mindestens einen in einen Zylinder 7 geführten Kolben 8 auf, der die oszillierend-lineare Hubbewegung im Zylinder 7 über ein am Kolben 8 selbst oder an einer am Kolben 8 angebrachten Verlängerung (nicht dargestellt) angeordnetes Pleuellager 10 (Schwenklager) auf einen Pleuel 9 überträgt. Das untere Ende des Pleuels 9 ist über ein Pleuellager 18 (Kurbelzapfen) mit einer Sekundärkurbel 19 drehbar verbunden. Die Sekundärkurbel 19 ist wiederum drehbar in einem Kurbelzapfen 11 einer Primärkurbel 17 verbunden, wobei die Primärkurbel 17 drehfest mit der Kurbelwelle (nicht dargestellt - Drehachse Kurbelwelle=11) verbunden ist. Mit der Sekundärkurbel 19 bzw. ihrer Drehachse 16 fest verbunden ist ein rundes oder unrundes Sekundärzahnrad 12 (in den Figuren der Zeichnung unrund dargestellt), das fest oder schwenkbar mit einem mit ihm verbundenen runden oder unrunden korrespondierend kämmenden, auf dem Kurbelzapfen (Achse 11 der Kurbelwelle) Primärzahnrad 15 verbunden ist. Das Primärzahnrad 15 ist koaxial zur Drehachse 16 ausgerichtet, so dass sich bei einem Umlauf der Kurbelwelle (Achse 11) über die Pleuelstange 9 oszillierende Hubbewegung auf den Kolben 8 im Zylinder 7 übertragen lassen.
Bei einer Ausführung des Erfindungsgegenstands entsprechend der Darstellungen in den 1-10 lassen sich somit mittels des Kolbens 8 bei einer kürzeren Aufwärtsbewegung der Verdichtungshub, bei einer längeren Abwärtsbewegung der Arbeitshub und bei längerer Aufwärtsbewegung den Ausschiebehub bei einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine über den Kolben 8 einstellen. Je nach Auswahl der Abmessungen von Primärkurbel 17 und Sekundärkurbel 19, Primärzahnrad 15 und Sekundärzahnrad 12 lassen sich so um ein Vielfaches größere Expansionshubwege (Arbeitshub) gegenüber dem auch als Verdichtungshub bezeichneten Kompressionshub gestalten. Damit sind im Zylinderraum deutlich geringere Drücke und Temperaturen des verbrannten Brennstoff-Luft-Gemisches gegen Ende des Expansionshubs im Vergleich zu konventionellen Brennkraftmaschinen erreichbar. Die thermodynamische Ausbeute einer Brennkraftmaschine kann so wesentlich erhöht und die Erfordernisse zur Kühlung am Zylinder sowie am Zylinderkopf und angrenzenden Bauteilen zumindest verringert, ggf. sogar gänzlich überflüssig gemacht werden.
Durch Schwenken des Primärzahnrads 15 im laufenden Betrieb einer Brennkraftmaschine nach der Erfindung ist es denkbar, die Verdichtung einzustellen. Dabei kann die Schwenkbewegung des Primärzahnrads 15 über einen Verstellantrieb vorgenommen werden, der mechanisch, hydraulisch, elektromechanisch oder piezoelektrisch angetrieben wird.
Das Primärzahnrad 15 ist zentrisch zur Kurbelwelle (Drehachse 11) angeordnet, die sich in der zeichnerischen Darstellung entgegen dem Uhrzeigersinn dreht. Am Ende der Primärkurbel 17 ist ein Kurbelzapfen mit einem umlaufenden Lager angeordnet, in dem das Sekundärzahnrad 12 gelagert ist. Sekundärkurbel 19 und Sekundärzahnrad 12 sind undrehbar fest verbunden. Primärzahnrad 15 und Sekundärzahnrad 12 sind so ausgebildet, dass das über die drehbare Primärkurbel 17 geführte Sekundärzahnrad 12 sich in jeder Position auf dem Primärzahnrad 15 kämmend abwälzen kann.
4 zeigt die Zylinder-Kolben-Einheit 1 im Ansaugtakt des Brennstoff-Luft-Gemischs über den Einströmkanal 4. Über das geöffnete Einlassventil 3 strömt das Brennstoff-Luft-Gemisch in den Innenraum des Zylinders 7. Der Kolben 8 bewegt sich dabei in der Darstellung der 4 in Pfeilrichtung bis zur Endposition in einem ersten unteren Totpunkt (siehe 5). In diesem ersten unteren Totpunkt nach 5 erfolgt die Bewegungsumkehr des Kolbens 8 und es beginnt bei geschlossenem Einlass- Ventil 3 und geschlossenem Auslass-Ventil 6 der Verdichtungshub: der Kolben 8 bewegt sich in Richtung gegen den Zylinderkopf 2 und die Ventile 3 und 5.
6 zeigt eine weitere Position des Kolbens 8 im Rahmen des Verdichtungshubs. 7 zeigt den Kolben 8 bei maximalem Verdichtungsdruck kurz vor Erreichen seines oberen Totpunkts. Die beginnende Bewegungsumkehr des Kolbens 8 nach Zünden des Brennstoff-Luft-Gemischs ist in 8 dargestellt.
In der 2 ist bei geöffnetem Auslassventil 6 und entsprechend geschlossenem Einlassventil 3 mit Kolbenbewegung 8 in Pfeilrichtung der Ausstoß-Takt dargestellt, der dann anschließend wiederum gefolgt wird vom Ansaugtakt (siehe 4).
In der Darstellung nach 3 hat sich die Primärkurbel 17 gegenüber der Darstellung nach 1 um ca. 80° gegen den Uhrzeigersinn verdreht. Damit hat der Kolben 8 angenähert seinen oberen Totpunkt am Ende des Ausschiebetakts bei geschlossenen Ventilen 3 und 6 erreicht.
In der Darstellung nach 4 ist eine Verdrehung ca. 105° gegen den Uhrzeigersinn gegenüber der Darstellung nach 1 erfolgt. Damit befindet sich der Kolben 8 in Abwärtsbewegung weg von seiner oberen Totpunktstellung in Richtung unteres Ende des Zylinders 7. Das Einlassventil 3 ist zum Ansaugen des Brennstoff-Luft-Gemischs geöffnet.
In 5 ist die Position des Kolbens 8 am Ende des Ansaugtaktes dargestellt. Dabei hat sich die Primärkurbel 17 um ca. 150° gegen den Uhrzeigersinn gegenüber der Darstellung in 1 weitergedreht. Das Einlassventil 15 ist jetzt wieder geschlossen oder kurz vor dem endgültigen Schließen.
In 6 ist eine Position des Kolbens im Verdichtungstakt dargestellt. Dabei hat sich der Kurbeltrieb über die unrunden Zahnräder gegenüber der Darstellung nach 1 um ca. 200° gegen den Uhrzeigersinn weiter verdreht. Der Kolben 8 befindet sich in Aufwärtsbewegung in Richtung auf den Zylinderkopf zu. Dabei sind beide Ventile 3 und 6 geschlossen, so dass das Brennstoff-Luft-Gemisch im geschlossenen Zylinder 7 zwischen Kolben 8 und Zylinderkopf 2 verdichtet wird.
In 7 befindet sich der Kolben 8 am Ende des Verdichtungstaktes im Wesentlichen im bzw. exakt in seinem oberen Totpunkt. Der Kurbeltrieb hat sich gegenüber der Darstellung nach 1 um ca. 235° (Sekundärkurbel 19 in Bezug auf Primärkurbel 17) gegen den Uhrzeigersinn verdreht. In dieser Position werden die höchsten Drücke im Brennraum erreicht und es kann zu diesem Zeitpunkt die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches erfolgen. Damit werden hohe, auf Kolben, Pleuel und Kurbeltrieb einwirkende Kräfte frei.
Beim Gegenstand der Erfindung nach Ausführungsbeispiel wurde die Ausrichtung des Zahnradsatzes mit Primärzahnrad 15 und Sekundärzahnrad 12 sowie die Ausrichtung des Sekundärzahnrads 12 zur Sekundärkurbel 19 so gewählt, dass sich einerseits die Sekundärkurbel 19 mit dem Pleuel 9 in diesem Zeitpunkt näherungsweise in oder nahe zur Strecklage zueinander befinden, so dass dabei gleichzeitig der momentane Wälzkreisradius am Sekundärzahnrad 12 besonders groß ist im Vergleich zu anderen Positionen während des Umlaufs. Eine derartige Ausrichtung des Zahnradsatzes 12, 15 führt dazu, dass der größte Teil des Kraftflusses vom Pleuel 9 über Pleuellager 10 näherungsweise radial auf die Sekundärkurbel 19 einwirkt und somit der größte Teil des Drehmoments auf direktem und kürzestem Wege auf die Primärkurbel 17 übertragbar ist. Im Vergleich mit der Verwendung ähnlicher Kurbeltrieb-Varianten und kreisrunden Zahnradsätzen ergibt sich hierbei im Bereich der höchsten Kolben- und Kurbeltriebbelastungen eine deutliche Entlastung für die Verzahnung zwischen Sekundärzahnrad 12 und Primärzahnrad 15.
Im 8 ist eine Kolbenposition im Arbeitstakt dargestellt, bei der sich der Kurbeltrieb - die Primärkurbel 17 - gegenüber der Darstellung in 1 um ca. 255° gegen den Uhrzeigersinn weiter verdreht hat. Der Kolben 8 befindet sich in seiner Abwärtsbewegung unter dem Druck des gezündeten Gemischs, beide Ventile 3 und 6 sind dabei geschlossen, so dass infolge des hohen Drucks des durch die Verbrennung aufgeheizten Arbeitsgases der Kolben 8 nach unten bei expandierendem und entsprechend entspannendem Arbeitsgas getrieben wird.
In 9 ist eine Position des Kolbens im Arbeitstakt dargestellt, bei der sich die Primärkurbel 17 gegenüber der Abbildung dazu nach 1 um ca. 325° gegen den Uhrzeigersinn weiter verdreht hat. Der Kolben 8 befindet sich in Abwärtsbewegung, wobei der Expansionshub deutlich länger ist als der Ansaug- und der Kompressionshub. Zum Ende des Expansionshubs nehmen Temperatur und insbesondere Druck im Arbeitsgas erheblich ab, so dass auch die Kolbenkräfte und die vom Kurbeltrieb zu übertragenden Lasten deutlich geringer werden. Nach einer vollen 360°-Umdrehung des Kurbeltriebs erreicht der Kolben wieder die in 1 dargestellte Ausgangsstellung und es beginnt ein neuer Viertakt-Umlauf. Während einer einzigen vollen Umdrehung des Kurbeltriebs können so alle vier Arbeitstakte einer Brennkraftmaschine ablaufen.
10 zeigt ein Beispiel für eine mögliche Anordnung eines unrunden Zahnradsatzes mit den entsprechenden kinematischen Gegebenheiten nach der Erfindung. Wie vorstehend bereits ausgeführt, ergeben sich aus energetischer und thermodynamischer Sicht Vorteile einer Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach Erfindung vor allem dadurch, dass durch das Erreichen unterschiedlich langer Hubwege ein deutlich größerer Expansionshub im Vergleich zum Kompressionshub erreicht werden kann. Das Hubverhältnis berechnet sich aus dem Quotienten von Expansionshub zu Kompressionshub und ist nahezu unabhängig von der Verwendung runder oder unrunder Zahnradsätze über das Verhältnis der Länge der Sekundärkurbel zu Primärkurbel festgelegt. Das Hubverhältnis wird umso geringer ausfallen, je länger die Sekundärkurbel (siehe e₂ in 10) zur Primärkurbel (siehe e₁ in 10) ist. Ist die Sekundärkurbel e₂ beispielsweise 1,45-fach der Länge der Primärkurbel e₂, stellt sich ein Hubverhältnis von ungefähr 2,0 ein. Bei gleichlanger Primär- und Sekundärkurbel beträgt das Hubverhältnis knapp 3,0. Beträgt die Länge der Sekundärkurbel nur das 0,65-fache der Länge der Primärkurbel, so werden je nach Länge des Pleuels 9 und der Ausgestaltung der Kurbelanordnungen mittels Zahnradausrichtung Hubverhältnisse zwischen 4,0 und 5,0 erreicht. Denkbar sind aber auch Hubverhältnisse größer als 10,0.
In den 11-20 sind Verläufe von Kurbelzapfenkurven bzw. Kolbenhubkurven von Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschinen nach der Erfindung dargestellt - siehe dazu den Figurenangaben zugeordnete Beschreibungen. Dabei sind zu den jeweiligen Darstellungen in den Figuren Angaben zu den Dimensionsverhältnissen entsprechender Ausführungsbeispiele zur weiteren Erklärung der Kurven angefügt.
Bezugszeichenliste

1: Zylinder-Kolben-Einheit einer Brennkraftmaschine
2: Zylinderkopf
3: Einlassventil
4: Einströmkanal
5: Auslasskanal
6: Auslassventil
7: Zylinder
8: Kolben
9: Pleuel
10: Pleuellager (oberes Schwenklager am Kolben)
11: Drehachse Kurbelwelle
12: Sekundärzahnrad
13: Stirn-Außenverzahnung von 12
13.1: Teil-Profil-Verzahnungsbereich, konvex
14: Stirn-Außenverzahnung von 15
14.1: Teil-Profil-Verzahnungsbereich, konkav
15: Primärzahnrad
16: Drehachse
17: Primärkurbel
18: Pleuellager (unteres)
19: Sekundärkurbel

Claims

Kurbeltrieb für eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine mit mindestens einer um eine Drehachse (11) drehbar gelagerten Kurbelwelle mit mindestens einem in mindestens einem Zylinder (7) hubbeweglich lageveränderbarem Kolben (8), an dem an einem Schwenklager (10) schwenkbeglich ein Pleuel (9) lagerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Drehachse (11) der Kurbelwelle eine mit der Kurbelwelle umlaufende Primärkurbel (17) gelagert ist, die ein mit einer Stirnverzahnung oder als Hohlrad mit Innenverzahnung versehenes erstes Primärzahnrad (15) gegen Verdrehung gesichert gelagert aufweist, sowie an einer Drehachse (16) angelenkt ein mit dem Primärzahnrad (15) korrespondierend im Eingriff befindliches zweites mit zum Primärzahnrad (15) korrespondierender Verzahnung ausgeführtes Sekundärzahnrad (12), das über eine Sekundärkurbel (19) mit einem Schwenklager (18) am mit dem Kolben (8) in Verbindung stehenden Pleuel (9) angelenkt ist, so, dass bei einer 360°-Umdrehung um die Drehachse der Kurbelwelle 11 der Kolben (8) alle 4-Takt-Positionen der Brennkraftmaschine durchläuft.
Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Primär- (15) und Sekundärzahnrad (12) als Zahnradsatz mit unrunden Zahnrädern ausgeführt sind.
Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Primär- (15) und Sekundärzahnrad (12) bei identischen Verzahnungsprofilen identische Zähnezahlen aufweisen.
Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das als Hohlrad ausgeführte Primärzahnrad (15) mit der dreifachen Zähnezahl des mit ihm korrespondierenden Sekundärzahnrad (12) ausgeführt ist.
Kurbeltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärzahnrad (15) eine Stirnverzahnung (14) mit einem Teil-Profil-Verzahnungsbereich (14.1) mit einem konkav verlaufenden Verzahnungsprofil aufweist, das mit einem konvexen Stirnverzahnungsprofil-Teilbereich (13.1) des Sekundärzahnrads (12) im Eingriff korrespondiert.
Kurbeltrieb nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenhub im Zylinder (7) mittels der Länge von Primärkurbel (17) und der Länge der Sekundärkurbel (19) und ihrem Bezug zueinander und/oder über die Konkavität und der damit zusammenwirkenden Konvexität der Teil-Verzahnungs-Profilbereiche (13.1, 14.1) der stirnverzahnten Zahnräder (12, 15) wählbar festlegbar ist.
Kurbeltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Primär- (15) und Sekundärzahnrad (12) als elliptischer Zahnsatz ausgeführt sind.
Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Primärkurbel (17) und Sekundärkurbel (19) in gleicher Länge ausgeführt sind.
Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Primärkurbel (17) und Sekundärkurbel (19) in voneinander abweichender Länge ausgeführt sind.
Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das drehfest an der Primärkurbel (17) gelagerte Primär-Zahnrad (15) mit dem umlaufend angeordneten Sekundär-Zahnrad (12) die Winkellage der Sekundär-Kurbel (19) in Bezug auf den Pleuel (9) und darüber den Hub des Kolbens (8) über den Pleuel (9) bestimmt.
Kurbeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des umlaufend angeordneten Sekundärzahnrads (12) in Bezug auf das Primärzahnrad (15) verstellbar ist.
Kurbeltrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des umlaufend angeordneten Sekundärzahnrads (12) in Bezug auf das Primärzahnrad (15) durch Verschwenken des Primärzahnrads (15) verstellbar ist.
Kurbeltrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschwenken des Primärzahnrads (15) mittels eines auf dieses einwirkenden Verstellantriebs ausführbar ist.
Kurbeltrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellantrieb zum Verschwenken des Primär-Zahnrads (15) mechanisch, hydraulisch, elektromechanisch, elektro-hydraulisch oder piezoelektrisch ausgeführt ist.
Kurbeltrieb nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkellage des Primär-Zahnrads (15) in Bezug auf das Sekundär-Zahnrad (12) im laufenden Betrieb veränderbar ist.
Kurbeltrieb für eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung in einem Kraftfahrzeug.
Kurbeltrieb für eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung in einem Kraftfahrzeug mit Hybrid-Antrieb.
Kurbeltrieb für eine Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung in stationären Antriebssystemen.